磁电效应的影响.doc

磁电效应的影响 1、研究背景及意义 磁电效应指的是材料在外加磁场的作用下产生电极化的现象或是材料在外加电场的情况下产生诱导磁化的现象。由于磁致伸缩材料的磁-机耦合性和压电材料的机-电耦合性，在此基础上根据乘积效应将磁致伸缩材料和压电材料复合在一起得到一种新型的功能材料，即磁电复合材料。磁电材料在外加驱动磁场的作用下产生电极化，其电势大小为。此参数可用于表达磁电转换系数；磁电复合材料比单相磁电材料具有相当高的居里温度及较大的磁电电压转换系数。此种材料可以实现磁能-机械能-电能之间的转换，可以应用于磁场能采集、微磁场检测以及水声换能器等方面，且具有较高的实际应用价值。 随着 MEMS 系统技术的快速发展，小型电子器件的市场逐渐增加。长期以来小型电子器件的能量供给主要是由化学电池提供，然而我们将面对的问题是如何在环境恶劣或人类无法控制的地方解决能量的供应；另一方面处理不当的废旧的化学能量电池会造成重金属污染，给环境带来巨大的破坏。如何能够将自然界中的能量采集并存储为微小能耗的小型器件提供能量从而成了当前的热门课题。虽然从周围环境中采集的能量密度较低，但微型电子器件技术和集成技术的迅猛发展使得器件的能耗不断降低，大部分微能耗器件的能量消耗水平在 mW 和 W 以下，自然环境中俘获的能量足够微小型能耗系统或器件使用。 本文研究的磁致伸缩材料和压电材料构造而成的磁电复合材料正是一种可以实现磁能、电能相互转换的新型功能材料。因此，它可能被应用于微小型器件的自供能系统中。磁电复合材料是磁致伸缩材料和压电材料层合粘接而成，制备工艺简单，压电相和压磁相没有相互稀释渗透，因而磁电电压转换系数比单相磁电材料高很多。当磁电层合材料处于变化的磁场中时，磁致伸缩材料感应到变化的磁场，从而产生应变，并通过粘接层传递至压电层，从而使得压电层上下表面感应出电荷，产生电能输出。相比之下电磁感应式、静电式、压电式能量采集，其能量密度输出远不及压电压磁式大。随着微电子技术的不断发展，压电压磁式能量聚集方式在远程监控、微磁场检测、医疗健康检测、军事应用、航天航空及水声换能器等领域有着非凡的应用前景。 1.1Terfenol-D 的机磁电耦合特性 Terfenol-D 在外磁场 H 的作用下材料内部产生应力和应变，应力和应变与外磁场强度以及材料内磁感应强度的本构关系为： 其中、H、B 分别表示应变、恒定磁场强度和磁感应强度；c、、f 分别为弹性常数、磁导率和压磁常数。 Terfenol-D 的轴向磁致伸缩效应，使得磁致伸缩效应中的电磁能转换成机械能，且满足方程： 通过方程组（2.1）可知，Terfenol-D 的应变和磁感应强度同应力状态、材料特性参数及外加驱动磁场的强度有着直接的关系。Terfenol-D 的应变包括：外力作用应变、磁致伸缩应变及涡流损耗受热产生的热膨胀应变等三部分。Terfenol-D 内的磁感应强度主要是由压磁效应和磁化效应共同产生，其外部位移、力的输出相当于磁场和弹性力场相互耦合的结构。 1.2 压电材料及压电效应 压电效应于 19 世纪末被居里兄弟在石英晶体中发现了，该效应能反映压电材料的机械能与电能间的耦合，也同时能反映将机械能转换成电能的能力。压电材料在受到应力作用时产生应变，应变引发材料的极化表面产生正负电荷，这种无电场作用，仅仅是由应力或应变使材料发生电极化的现象，我们称之为正压电效应。时隔一年，科学家们通过理论预测出逆压电效应，并通过实验室进行了论证。即当压电材料处于一电场中，由于电场的作用使得压电材料不仅产生电极化，而且还产生应力和应变的现象，我们称之为逆压电效应。 压电材料包括晶体材料、陶瓷材料和聚合物材料等。晶体压电材料最具代表性的有石英晶体和铌酸锂晶体，其中石英晶体研究的较早，理论最为成熟，且石英晶体的机电稳定性和几乎为零的内耗使其被广泛应用。压电陶瓷类材料最具代表的是 PZT 和，压电陶瓷在未经过人工处理时，内部的电偶极子排列的杂乱无章，自发极化强度为零且无压电性。当给与是加强电场进行极化处理后，原来杂乱无章的电偶极矩沿电场方向排列。撤去电场后压电陶瓷仍然保留一定的极化效应，使得材料具有压电性能。聚合物类压电材料最具代表的是聚偏氟乙烯（PVDF），它和以上两种材料相比具有声阻抗低、介电常数低、柔韧性好、击穿电压高及可加工成薄膜等优点，是当前压电类材料中研究的热点。 1.3 压电效应机理 压电效应同晶体本身晶格的对称性息息相关，压电效应就是对压电晶体施加外应力来改变晶体内的电极化方向，而此种电极化只能在不对称晶体内部发生。若晶体内部晶格处于对称状态，则不具有压电效应。如图 2.3（a）所示假设压电晶体的正负电荷平铺在 xy 平面上，此时晶体不受外力作用，它的三个电偶极矩：、、相互成角度，正负电荷重心完全重合，矢量和为，所以晶体晶